費米實驗室首次觀測到μ子異常磁矩的實驗結果顯示，基本粒子μ子的行為與標準模型的理論預言不一致。這一結果與美國布魯克海文國家實驗室早前的實驗結果一致。兩個實驗結合起來為新物理的存在提供了有力證據，表明世界上可能存在新的未知粒子或力。
介子異常磁矩儲存環的頂視圖。在環內以接近光速順時針旋轉約 500 次（64 微秒）后，介子將衰變。介子異常磁矩實驗將通過測量介子衰變產物（電子）來獲得介子的磁性。圖片來源：費米實驗室
經過漫長的等待，美國能源部費米國家實驗室的μ子反常磁矩實驗首次結果公布：基本粒子μ子的行為與標準模型的理論預測不一致。這是迄今為止最精確的實驗結果，也是里程碑式的突破。這一結果為μ子物理領域發現新物理提供了有力證據。μ子可以作為新物理的探針留學之路，探測未知的相互作用。
意大利核物理研究所物理學家、μ子反常磁矩實驗聯合發言人格拉齊亞諾·維南佐尼表示：“今天是一個偉大的日子，不僅我們期待著這一天，整個國際物理學界都期待著這一天的到來。年輕人在這次實驗中發揮了很大的作用，正是他們的才華、創造力和熱情，才使得我們能夠取得如此優異的成果。”
介子比其近親電子重 200 倍。它們是在宇宙射線穿透地球大氣層時自然產生的。它們也可以通過粒子加速器大量產生，例如費米實驗室的質子加速器。與電子一樣，介子具有固有磁矩。當置于強磁場中時，介子的磁矩方向會進動或擺動，就像陀螺擺動一樣。介子的固有磁矩的大小決定了它進動的頻率，兩者之間的比率稱為“旋磁比”（也稱為“g 因子”）。該比率可以通過理論精確計算。當介子在磁場中旋轉時，它還會與時空最深處的揮發性量子泡沫相互作用。這些短暫的氣泡（也稱為“虛擬粒子”）會影響 g 因子，導致介子的進動速率加快或減慢一點。 粒子物理學的標準模型對這種不尋常的磁效應做出了非常準確的預測。但如果量子泡沫包含新的、未知的力或粒子，標準模型的預測就會失效。
“我們測量了介子與周圍世界的相互作用。當理論學家使用已知的標準模型來計算這種相互作用時，他們得到的答案與我們不同，”肯塔基大學物理學家、介子異常磁矩模擬數據組負責人雷內·法塔米 (Renee ) 說道。“這強烈表明，現有理論之外還存在一些新的東西，而介子對此非常敏感。”
研究人員此前在布魯克海文實驗室進行過類似的實驗，在2001年結束之前發現了一些跡象，表明μ子的行為與標準模型不一致。新的實驗結果更加精確，與布魯克海文實驗的結果一致，但與理論計算不一致。
目前理論計算的結果是g因子=2.（86），異常磁矩：0.（43）
新的綜合實驗測量結果為g因子=2.（82），異常磁矩：0.（41）
費米實驗室和布魯克海文國家實驗室的聯合測量結果與理論值的誤差在 4.2 個標準差以內，略小于 5 個標準差，這是科學家宣布發現的最終標準。這已經是非常有力的證據了，統計誤差概率僅為四萬分之一。
介子異常磁矩儲存環的構造照片。來源：費米實驗室
2013 年，布魯克海文國家實驗室的 50 英尺（16 米）超導儲存環通過陸路和海路從紐約長島運送到芝加哥郊區的費米實驗室，行程 3,200 英里（5,200 公里）。費米實驗室擁有一臺大型粒子加速器，可以產生美國最強的μ子束。在接下來的四年里，研究人員建造了各種實驗設備；調整和校準了極其均勻的磁場；開發了新的檢測技術、儀器和模擬程序；并徹底測試了整個系統。
介子異常磁矩實驗將一束介子送入儲存環，它們在那里以接近光速的速度旋轉數千次。儲存環周圍的探測器使科學家能夠測量介子的進動頻率。
國際合作研究μ子異常磁矩的照片
目前，μ子異常磁矩國際合作組由來自7個國家、35個研究機構的近200名研究人員組成。在運行的第一年（2018年），μ子異常磁矩實驗收集的數據量超過了所有先前實驗的總和。現在，μ子異常磁矩國際合作組已經分析了超過80億個μ子的數據。
“距離上一次布魯克海文實驗結束已經過去了 20 多年，終于找到答案真是令人欣慰，”費米實驗室科學家克里斯·波利 (Chris Polly) 說，他現在是這項實驗的聯合發言人，曾在布魯克海文擔任研究生。費米實驗室實驗的第二波和第三波數據的分析正在進行中，實驗還在收集第四波數據，第五波數據即將到來。通過分析所有五波數據物理學家費米理論，科學家將能夠進行更精確的測量，并對尋找新物理學更有信心。“到目前為止，我們只分析了 6% 的數據物理學家費米理論，雖然第一次測量非常令人興奮，但未來幾年我們還有很多東西要學，”波利說。“對介子進行超精確測量是一項了不起的成就。介子異常矩實驗將為未來幾年尋找標準模型以外的新物理學提供指導，”費米實驗室副主任喬·萊肯 (Joe Lycan) 說。 “這是粒子物理學的一個里程碑時刻，費米實驗室正在進行尖端研究。”
2012年，上海交通大學成立了μ子物理團隊，參與費米國家實驗室的μ子g-2實驗，主要成員包括李良教授、Kim-Siang Khaw副教授等。交大團隊在反常磁矩測量方面與費米國家實驗室、阿貢國家實驗室、華盛頓大學等國際知名學術機構開展了長期密切合作。交大團隊前期在量熱器研制和束流測試方面作出了重要貢獻，后期在探測器仿真、束流動力學優化設計、事件重構、能量與時間校準、離線數據分析等實驗諸多方面做出了突出貢獻。交大團隊還參與了精密磁場的測量與校準，是目前合作組中參與各項測量任務最全面的實驗團隊之一。 交大團隊成員對μ子反常磁矩第一階段物理數據的μ子進動頻率（六個主要獨立分析結果之一）和磁場測量（三個主要獨立分析結果之一）以及束流動力學修正（四個主要修正之一）進行了詳細的數據分析，即將在 （PRL）和三本 （PRA、PRAB、PRD）上發表合作首批物理成果，并擔任論文主要作者。
物理與天文學院李亮教授是費米反常磁矩實驗早期成員之一，目前擔任離線數據組聯合召集人兼合作組秘書長，主導離線數據生成、分析和模擬相關工作。
Kim-Siang Khaw 副教授于 2015 年加入 μ 子異常磁矩實驗，并于 2019 年加入李政道研究所，擔任束流動力學校正效應小組聯合召集人。他負責使用超級計算機進行海量數據模擬，并開發針對重大系統誤差的新型數據分析方法。
團隊其他成員包括博士生李卞之、碩士生褚兆林、博士生胡月凱、博士后Ereme （）、博士后李迪凱（已離站）。
4月9日下午，物理與天文學院與李政道研究所聯合舉辦的李政道前沿論壇暨學術報告會（2019），對這一里程碑式的成果進行了詳細解讀。
李政道研究所物理與天文學院
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